WO2016166816A1 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
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- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
Definitions
- the present invention relates to a scanning probe microscope for measuring the surface shape of a sample by relatively moving the probe along the surface of the sample.
- the probe In the scanning probe microscope, the probe is moved relative to the surface of the sample placed on the stage in the XY plane and scanned to act between the probe and the sample surface during the scanning. Changes in physical quantities (such as tunneling current or atomic force) are detected. Then, the relative position in the Z direction of the probe is feedback-controlled so as to keep the physical quantity during scanning constant, so that the surface shape of the sample can be measured based on the feedback quantity (for example, the following patent document) 1).
- Changes in physical quantities such as tunneling current or atomic force
- FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a conventional mode when the probe is relatively moved on the surface of the sample.
- 9A and 9B are diagrams showing the relationship between the time when the probe is relatively moved in the embodiment of FIG. 8 and the relative position of the probe, FIG. 9A is the relative position of the probe in the X direction, and FIG. The relative position of the probe in each direction is shown.
- the probe when the probe is relatively moved on the surface of the sample, the probe is reciprocated on one line by relatively moving the probe in the X direction (forward path) and in the direction opposite to the X direction (return path).
- the operation of shifting and the operation of shifting the probe by moving the probe one pixel at a time in the Y direction are alternately repeated. Thereby, the physical quantity during the reciprocating movement in each line is detected, and the feedback amount is adjusted using the physical quantity detected in each of the forward path and the return path.
- the relative velocity of the probe in the X direction is constant in both the forward path and the return path, as shown in FIG. 9A. That is, the probe whose relative movement is started in the X direction from the start position P1 moves relative to the forward path at a constant speed immediately after the start, and the relative movement direction is switched to the reverse direction at the turn-back position P2. At this time, the probe relatively moves on the return path at a constant speed immediately after switching of the direction of relative movement, and returns to the start position P1. In this way, the relative movement direction of the probe that relatively moves at a constant speed is alternately switched, so that the probe is relatively reciprocated in each line.
- the relative speed (scanning speed) of a probe in a scanning probe microscope is slow, and it takes about several minutes to measure the surface shape of the entire sample. Therefore, there has been a demand for a configuration in which the relative shape of the probe in the scanning probe microscope can be increased and the surface shape of the sample can be measured in a shorter time.
- the relative speed of the probe changes suddenly at the start position P1 and the turn-back position P2 because the probe starts moving in the opposite direction at the same time as the probe suddenly stops.
- the relative velocity of the probe changes rapidly at the start position P1.
- Such a rapid change in the relative velocity of the probe is likely to vibrate at the resonance frequency of the stage at the start position P1 and the turn-back position P2, and thus it is considered that periodic noise is likely to occur.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a scanning probe microscope that can increase the relative speed of a probe and that is less susceptible to noise in the measurement result of the surface shape of a sample.
- the reciprocation control unit switches the direction of the relative movement of the probe by gradually lowering the relative speed and then switching the direction, and gradually increasing the relative speed after switching to relatively move the probe. Move back and forth.
- the shift movement control unit relatively shifts the probe by gradually increasing the relative speed of the probe and then gradually decreasing the relative speed.
- the relative reciprocal movement of the probe is not continuously performed at the same position in the forward path and the backward path, but is performed at different positions in the forward path and the backward path, and the reciprocal movement is performed a plurality of times.
- the reciprocal movement is performed a plurality of times.
- the probe during the reciprocal movement, the probe is not relatively moved on a straight line along the first direction, but is gradually moved relatively in the second direction and then gradually in the opposite direction. Are repeatedly moved across a plurality of lines by repeating the relative movement operation.
- FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the time when the probe is relatively moved and the relative position of the probe in the aspect of FIG. 6, and shows the relative position of the probe in the Y direction. It is the schematic for demonstrating the conventional aspect at the time of moving a probe relatively on the surface of a sample. It is the figure which showed the relationship between the time at the time of relatively moving a probe in the aspect of FIG. 8, and the relative position of a probe, and has shown the relative position of the probe in a X direction. It is the figure which showed the relationship between the time at the time of relatively moving a probe in the aspect of FIG. 8, and the relative position of a probe, and has shown the relative position of the probe in a Y direction.
- the first piezoelectric element 11 is provided one by one at a position facing the X direction across the central axis L of the stage 1.
- the second piezoelectric element 12 is provided one by one at a position facing the Y direction perpendicular to the X direction across the central axis L of the stage 1. That is, the direction in which the pair of first piezoelectric elements 11 are arranged (X direction) and the direction in which the pair of second piezoelectric elements 12 are arranged (Y direction) are orthogonal to each other.
- the third piezoelectric element 13 is provided in an annular shape on the outer peripheral surface of the stage 1.
- the reciprocation control unit 51 controls the voltage applied to the first piezoelectric element 11.
- the probe 2 is reciprocated relative to the surface of the sample S by moving the probe 2 relative to the surface of the sample S in the X direction and the direction opposite to the X direction by the control of the reciprocation control unit 51. Can be moved. Thereby, the probe 2 is scanned on the surface of the sample S in a direction parallel to the X direction.
- FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a first mode when the probe 2 is relatively moved on the surface of the sample S.
- FIG. 3A and 3B are diagrams showing the relationship between the time when the probe 2 is relatively moved in the mode of FIG. 2 and the relative position of the probe 2, and FIG. 3A is the relative position of the probe 2 in the X direction. 3B indicates the relative position of the probe 2 in the Y direction.
- the probe 2 is shifted by two pixels in the Y direction at the folding position P2, and is shifted by one pixel in the direction opposite to the Y direction every time the probe 2 returns from the folding position P2 to the start position P1. .
- the shift amount is different between the start position P1 and the turn-back position P2, before and after the relative movement direction of the probe 2 is switched to the X direction or the direction opposite to the X direction at the start position P1 and the turn-back position P2.
- the probe 2 moves relative to different positions (different lines) on the surface of the sample S.
- the probe 2 does not reciprocate on one line, but reciprocates across a plurality of lines.
- the relative speed of the probe 2 becomes discontinuous when the direction of the relative movement of the probe 2 is switched during the reciprocating movement or when the probe 2 is shifted. Can be prevented. That is, when the direction of relative movement of the probe 2 is switched during reciprocal movement, the relative speed of the probe 2 is rapidly increased by switching the direction after gradually decreasing the relative speed and gradually increasing the relative speed after switching. Can be prevented. Further, during the shift movement, the relative speed of the probe 2 can be prevented from changing suddenly by gradually increasing the relative speed of the probe 2 and then gradually decreasing the relative speed. Thereby, even when the relative speed of the probe 2 is increased, generation of periodic noise can be prevented, so that the relative speed of the probe 2 can be increased and the surface of the sample S can be increased. Noise is less likely to occur in the shape measurement results.
- the surface of the sample S is based only on the measurement results between the position P3 and the position P4 where the probe 2 is relatively moving at the constant speed. Are displayed on the display unit 6. Therefore, even when the relative speed of the probe 2 is increased, noise is not easily generated in the measurement result of the surface shape of the sample S, and an accurate measurement result can be obtained. Based on only the result, the uneven image of the surface of the sample S can be displayed on the display unit 6.
- the constant speed may be the same speed on the forward path and the return path, or may be a different speed.
- the probe 2 while the relative movement direction of the probe 2 is switched from the X direction to the reverse direction at the turn-back position P2, the probe 2 gradually moves in the Y direction and then reverses to the Y direction. It gradually returns to the original line by relative movement. As a result, the probe 2 relatively moves the same position (same line) on the surface of the sample S before and after the relative movement direction is switched from the X direction to the reverse direction at the folding position P2.
- the relative speed is changed when the direction of relative movement of the probe 2 is switched at the start position P1 and the turn-back position P2.
- the direction is switched after gradually decreasing the speed, and the relative speed is gradually increased after switching. Specifically, after gradually increasing the relative speed of the probe 2 in the X direction from the start position P1, the relative speed is maintained constant for a certain period of time, and then the relative speed is gradually decreased before the turn-back position P2 To switch to the opposite direction to the X direction.
- the probe 2 when the probe 2 is reciprocated, the probe 2 is relatively moved at a constant speed before the relative speed of the probe 2 is gradually decreased.
- the surface shape can be accurately measured.
- a concavo-convex image of the surface of the sample S is displayed on the display unit 6 based only on the measurement result when the probe 2 is relatively moving at the constant speed.
- FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a third mode when the probe 2 is relatively moved on the surface of the sample S.
- FIG. 7A and 7B are diagrams showing the relationship between the time when the probe 2 is relatively moved in the mode of FIG. 6 and the relative position of the probe 2, and FIG. 7A is the relative position of the probe 2 in the X direction. 7B indicates the relative position of the probe 2 in the Y direction.
- the forward path is indicated by a solid line and the return path is indicated by a broken line.
- 6 and 7B for the sake of easy understanding, the period in which the probe 2 is repeatedly shifted in the Y direction and the direction opposite to the Y direction is shown larger than the actual period.
- the same position (same line) on the surface of the sample S along the direction opposite to the X direction and the X direction from the second line onward as shown in FIG. Will move relative to each other. That is, if the period when the probe 2 is repeatedly shifted and shifted in the direction opposite to the Y direction and the Y direction is appropriately set, the positions where the probe 2 passes in the forward path and the return path periodically overlap on the same line. Therefore, it is possible to obtain measurement results of the forward and return paths at the same position where they overlap.
- a concavo-convex image of the surface of the sample S is displayed on the display unit 6 based on the measurement results of the second and subsequent lines from which the measurement results of the forward path and the return path at the same position are obtained.
- the atomic force during the reciprocating movement is detected, and the amount of feedback by the feedback control unit 53 is adjusted using the atomic force detected in each of the forward path and the return path, so that the entire surface shape of the sample S Will be measured.
- the relative speed is changed when the direction of relative movement of the probe 2 is switched between the start position P1 and the turn-back position P2.
- the direction is switched after gradually decreasing the speed, and the relative speed is gradually increased after switching. Specifically, after gradually increasing the relative speed of the probe 2 in the X direction from the start position P1, the relative speed is maintained constant for a certain period of time, and then the relative speed is gradually decreased before the turn-back position P2 To switch to the opposite direction to the X direction.
- the relative speed of the probe 2 is gradually increased and then the relative speed is gradually decreased. It is like that. Specifically, while the probe 2 is relatively moved in the X direction and while being relatively moved in the direction opposite to the X direction (including while being maintained at a constant relative speed). After the probe 2 is gradually moved relatively in the Y direction, the operation of gradually moving the probe 2 in the direction opposite to the Y direction is repeated.
- the relative speed of the probe 2 becomes discontinuous when the direction of the relative movement of the probe 2 is switched during the reciprocating movement or when the probe 2 is shifted. Can be prevented. Therefore, even in the embodiments as shown in FIGS. 6, 7A and 7B, it is possible to prevent the occurrence of periodic noise when the relative speed of the probe 2 is increased, so that the relative speed of the probe 2 is increased. In addition, noise is less likely to occur in the measurement result of the surface shape of the sample S.
- the mechanism using the piezoelectric elements 11, 12, and 13 has been described as the mechanism for moving the probe 2 relative to the surface of the sample S.
- Examples of such piezoelectric elements 11, 12, and 13 include tube-type piezoelectric elements or stacked piezoelectric elements.
- the mechanism for moving the probe 2 relative to the surface of the sample S is not limited to the piezoelectric elements 11, 12, and 13, and the position of the stage 1 relative to the probe 2 using any other mechanism. Can be changed. Further, the mechanism may be such that the probe 2 is moved relative to the surface of the sample S by changing the position of the probe 2 relative to the stage 1 instead of changing the position of the stage 1 relative to the probe 2. .
- the present invention is not limited to the atomic force microscope, but can be applied to other scanning probe microscopes such as a tunneling microscope (STM: Scanning Tunneling Microscope).
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Abstract
プローブの相対速度を速くすることができ、かつ、試料の表面形状の測定結果にノイズが生じにくい走査型プローブ顕微鏡を提供する。Ｘ方向及びＸ方向とは逆方向への往復移動の際にプローブの相対移動の方向を切り替えるときには（開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２）、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させることにより、プローブの相対速度が急激に変化するのを防止する。Ｙ方向及びＹ方向とは逆方向へのシフト移動の際には（開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２）、プローブの相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、プローブの相対速度が急激に変化するのを防止する。
Description
本発明は、試料の表面に沿ってプローブを相対移動させることにより、試料の表面形状を測定するための走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
走査型プローブ顕微鏡においては、ステージ上に載置された試料の表面に対して、ＸＹ平面内でプローブを相対移動させて走査することにより、その走査中にプローブと試料表面との間に作用する物理量（トンネル電流又は原子間力など）の変化が検出される。そして、走査中の上記物理量を一定に保つようにプローブのＺ方向の相対位置がフィードバック制御されることにより、そのフィードバック量に基づいて試料の表面形状を測定することができる（例えば、下記特許文献１参照）。
図８は、試料の表面上でプローブを相対移動させる際の従来の態様について説明するための概略図である。図９Ａ及び図９Ｂは、図８の態様でプローブを相対移動させる際の時間とプローブの相対位置との関係を示した図であり、図９ＡはＸ方向におけるプローブの相対位置、図９ＢはＹ方向におけるプローブの相対位置をそれぞれ示している。
図８に示すように、試料の表面上でプローブを相対移動させる際には、プローブをＸ方向（往路）及びＸ方向とは逆方向（復路）に相対移動させることにより１ライン上で往復移動させる動作と、プローブをＹ方向に１画素ずつ相対移動させることによりシフト移動させる動作とが交互に繰り返される。これにより、各ラインにおける往復移動中の物理量が検出され、往路及び復路のそれぞれで検出された物理量を用いてフィードバック量が調整される。
Ｘ方向へのプローブの相対速度は、図９Ａに示すように、往路及び復路のいずれにおいても一定である。すなわち、開始位置Ｐ１からＸ方向に相対移動が開始されるプローブは、開始直後から一定速度で往路を相対移動し、折り返し位置Ｐ２で相対移動の方向が逆方向に切り替えられる。このときプローブは、相対移動の方向の切替直後から一定速度で復路を相対移動し、開始位置Ｐ１へと戻る。このように、一定速度で相対移動するプローブの相対移動の方向が交互に切り替えられることにより、各ラインにおいてプローブが相対的に往復移動される。
Ｙ方向へのプローブの移動は、図９Ｂに示すように、Ｘ方向及びＸ方向とは逆方向に往復移動するプローブが開始位置Ｐ１に戻る度に１画素ずつ行われる。開始位置Ｐ１からＹ方向に相対移動が開始されるプローブは、開始直後から一定速度で相対移動し、１画素分だけ相対移動すれば停止される。
一般的に、走査型プローブ顕微鏡におけるプローブの相対速度（走査速度）は遅く、試料全体の表面形状を測定するのに数分程度の時間を要する。そのため、走査型プローブ顕微鏡におけるプローブの相対速度を速くして、より短時間で試料の表面形状を測定することができるような構成が望まれていた。
しかしながら、プローブの相対速度を速くした場合には、開始位置Ｐ１や折り返し位置Ｐ２において、試料の表面形状の測定結果にノイズが生じやすいという問題があった。その原因として、開始位置Ｐ１や折り返し位置Ｐ２においては、プローブの相対速度が不連続になっていることが考えられる。
すなわち、Ｘ方向へのプローブの相対移動については、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２において、プローブが相対的に急停止すると同時に逆方向への移動を開始するため、プローブの相対速度が急激に変化する。また、Ｙ方向へのプローブの相対移動についても、開始位置Ｐ１においてプローブの相対速度が急激に変化する。このようなプローブの相対速度の急激な変化により、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２においてステージの共振周波数で振動しやすくなるため、周期的なノイズが発生しやすいと考えられる。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、プローブの相対速度を速くすることができ、かつ、試料の表面形状の測定結果にノイズが生じにくい走査型プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、プローブ、往復移動制御部、シフト移動制御部及び測定制御部を備える。前記プローブは、試料の表面に沿って相対移動する。前記往復移動制御部は、試料の表面に対して第１方向及び当該第１方向とは逆方向に前記プローブを相対移動させることにより往復移動させる。前記シフト移動制御部は、試料の表面に対して前記第１方向に直交する第２方向に前記プローブを相対移動させることによりシフト移動させる。前記測定制御部は、前記往復移動制御部及び前記シフト移動制御部により試料の表面に沿って相対移動される前記プローブの前記第１方向及び前記第２方向に直交する方向への相対的な変位量に基づいて、試料の表面形状を測定する。前記往復移動制御部は、前記プローブの相対移動の方向を切り替えるときに、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させることにより、前記プローブを相対的に往復移動させる。前記シフト移動制御部は、前記プローブの相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、前記プローブを相対的にシフト移動させる。
このような構成によれば、往復移動の際にプローブの相対移動の方向が切り替わるときや、プローブがシフト移動するときに、プローブの相対速度が不連続になるのを防止することができる。すなわち、往復移動の際にプローブの相対移動の方向を切り替えるときには、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させることにより、プローブの相対速度が急激に変化するのを防止することができる。また、シフト移動の際には、プローブの相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、プローブの相対速度が急激に変化するのを防止することができる。これにより、プローブの相対速度を速くした場合であっても周期的なノイズが発生するのを防止することができるため、プローブの相対速度を速くすることができ、かつ、試料の表面形状の測定結果にノイズが生じにくい。
前記往復移動制御部は、前記プローブの相対速度を徐々に低下させる前に、一定速度で前記プローブを相対移動させてもよい。
このような構成によれば、往復移動の際には、一定速度でプローブを相対移動させているときに試料の表面形状を精度よく測定することができる。したがって、プローブの相対速度を速くした場合であっても、試料の表面形状の測定結果にノイズが生じにくく、かつ、精度のよい測定結果を得ることができる。
前記走査型プローブ顕微鏡は、表示部をさらに備えていてもよい。この場合、前記測定制御部は、上記一定速度で前記プローブを相対移動させているときの測定結果のみに基づいて、前記表示部に試料表面の凹凸画像を表示させてもよい。
このような構成によれば、一定速度でプローブを相対移動させているときに得られた精度のよい測定結果のみに基づいて、表示部に試料表面の凹凸画像を表示させることができる。
前記プローブは、前記往復移動制御部により相対移動の方向が切り替えられる前と後とで、試料の表面における異なる位置を相対移動してもよい。この場合、前記プローブは、前記往復移動制御部による相対的な往復移動が複数回行われることによって、試料の表面における同じ位置を前記第１方向及び当該第１方向とは逆方向に沿って相対移動してもよい。
このような構成によれば、プローブの相対的な往復移動が、往路及び復路において同じ位置で続けて行われるのではなく、往路及び復路において異なる位置で行われ、当該往復移動が複数回行われることによって、同じ位置の往路及び復路の測定結果を得ることができる。これにより、プローブの相対速度が急激に変化するのを効果的に防止しつつ、試料全体の表面形状を測定することができる。
前記プローブは、前記往復移動制御部により相対移動の方向が切り替えられる前と後とで、試料の表面における同じ位置を相対移動してもよい。この場合、前記プローブは、前記往復移動制御部により相対移動の方向が切り替えられている間に、前記シフト移動制御部により第２方向に徐々に相対移動した後、当該第２方向とは逆方向に徐々に相対移動してもよい。
このような構成によれば、プローブの相対的な往復移動が、往路及び復路において同じ位置で続けて行われる際に、その相対移動の方向が切り替えられている間にプローブを第２方向に徐々に相対移動させた後、逆方向に徐々に相対移動させて元の位置に戻すことができる。これにより、プローブの相対的な往復移動が、往路及び復路において同じ位置で続けて行われる場合であっても、プローブの相対速度が急激に変化するのを効果的に防止することができる。
前記プローブは、前記往復移動制御部により第１方向に相対移動されている間、及び、当該第１方向とは逆方向に相対移動されている間に、前記シフト移動制御部により第２方向に徐々に相対移動した後、当該第２方向とは逆方向に徐々に相対移動する動作を繰り返してもよい。この場合、前記プローブは、前記往復移動制御部による相対的な往復移動が複数回行われることによって、試料の表面における同じ位置を前記第１方向及び当該第１方向とは逆方向に沿って相対移動してもよい。
このような構成によれば、往復移動の際に、プローブが第１方向に沿った真っ直ぐなライン上で相対移動されるのではなく、第２方向に徐々に相対移動した後、逆方向に徐々に相対移動する動作を繰り返すことにより、複数のラインに跨って相対移動される。このような往復移動が複数回行われることによって、同じ位置の往路及び復路の測定結果を得ることができるため、プローブの相対速度が急激に変化するのを効果的に防止しつつ、試料全体の表面形状を測定することができる。
本発明によれば、プローブの相対速度を速くした場合であっても周期的なノイズが発生するのを防止することができるため、プローブの相対速度を速くすることができ、かつ、試料の表面形状の測定結果にノイズが生じにくい。
図１は、本発明の一実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示した概略図である。この走査型プローブ顕微鏡は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）であり、ステージ１上に載置された試料Ｓの表面に対して、ＸＹ平面内（図１の紙面に直交する面内）でプローブ２を相対移動させて走査することにより、その走査中にプローブ２と試料Ｓの表面との間に作用する原子間力が変化する。プローブ２は、例えば片持ち支持されたカンチレバーからなり、自由端側の先端部が試料Ｓの表面に接触する。
ステージ１は、例えば円柱状の部材であり、その端面上に試料Ｓが載置される。ステージ１の外周面には、第１圧電素子１１、第２圧電素子１２及び第３圧電素子１３が取り付けられている。各圧電素子１１，１２，１３は、電圧が印加されることにより変形し、その変形に伴ってステージ１が変形することにより、ステージ１上の試料Ｓの位置が変化する。これにより、試料Ｓの表面に沿ってプローブ２を相対移動させることができる。
第１圧電素子１１は、ステージ１の中心軸線Ｌを挟んでＸ方向に対向する位置に１つずつ設けられている。第２圧電素子１２は、ステージ１の中心軸線Ｌを挟んでＸ方向に直交するＹ方向に対向する位置に１つずつ設けられている。すなわち、１対の第１圧電素子１１が並ぶ方向（Ｘ方向）と、１対の第２圧電素子１２が並ぶ方向（Ｙ方向）とが、互いに直交している。第３圧電素子１３は、ステージ１の外周面に円環状に設けられている。
したがって、１対の第１圧電素子１１に対して印加する電圧を変化させることにより、ステージ１をＸ方向又はＸ方向とは逆方向に変形させ、ステージ１上の試料Ｓの表面に沿ってプローブ２をＸ方向又はＸ方向とは逆方向に走査することができる。また、１対の第２圧電素子１２に対して印加する電圧を変化させることにより、ステージ１をＹ方向又はＹ方向とは逆方向に変形させ、ステージ１上の試料Ｓの表面に沿ってプローブ２をＹ方向又はＹ方向とは逆方向に走査することができる。ステージ１をＺ方向又はＺ方向とは逆方向に移動させる際には、第３圧電素子１３に対して印加する電圧を変化させればよい。
このようなステージ１の変形に伴って試料Ｓの表面上を相対移動するプローブ２には、発光部３からレーザ光などの光が照射され、プローブ２からの反射光が受光部４により受光される。試料Ｓの表面の凹凸に沿ってプローブ２を相対移動させた場合には、凹凸の形状に応じてプローブ２が撓み、受光部４においてプローブ２からの反射光を受光する位置が変化する。したがって、受光部４における反射光の受光位置の変化に基づいて、走査中にプローブ２と試料Ｓの表面との間に作用する原子間力の変化を検出することができる。
この走査型プローブ顕微鏡の動作は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御部５により制御される。制御部５は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、往復移動制御部５１、シフト移動制御部５２、フィードバック制御部５３及び測定制御部５４などとして機能する。
往復移動制御部５１は、第１圧電素子１１に対する印加電圧を制御する。この往復移動制御部５１の制御により、試料Ｓの表面に対してＸ方向及びＸ方向とは逆方向にプローブ２を相対移動させることで、プローブ２を試料Ｓの表面に対して相対的に往復移動させることができる。これにより、Ｘ方向に平行な方向への試料Ｓの表面に対するプローブ２の走査が行われる。
シフト移動制御部５２は、第２圧電素子１１に対する印加電圧を制御する。このシフト移動制御部５２の制御により、試料Ｓの表面に対してＹ方向にプローブ２を相対移動させることで、プローブ２を試料Ｓの表面に対して相対的にシフト移動させることができる。これにより、Ｙ方向に平行な方向への試料Ｓの表面に対するプローブ２の走査が行われる。
フィードバック制御部５３は、受光部４における反射光の受光位置に基づいて、第３圧電素子１３に対する印加電圧を制御する。具体的には、受光部４における反射光の受光位置を一定位置に保つように、すなわちプローブ２と試料Ｓの表面との間に作用する原子間力が一定となりプローブ２が変形しないように、フィードバック制御部５３が第３圧電素子１３に対して印加する電圧を変化させる。これにより、試料Ｓの表面形状に応じてステージ１がＺ方向又はＺ方向とは逆方向に移動することとなる。
測定制御部５４は、フィードバック制御部５３による制御に基づいて、試料Ｓの表面形状を測定する処理を行う。すなわち、試料Ｓの表面に沿ってＸＹ平面内で相対移動されるプローブ２のＺ方向及びＺ方向とは逆方向への相対的な変位量（試料Ｓの表面に対するステージ１のＺ方向及びＺ方向とは逆方向への変位量）に基づいて、試料Ｓの表面形状が測定されることにより、試料Ｓの表面の凹凸画像が得られる。測定制御部５４は、例えば液晶表示器により構成される表示部６に、取得した試料Ｓの表面の凹凸画像を表示させる。
図２は、試料Ｓの表面上でプローブ２を相対移動させる際の第１の態様について説明するための概略図である。図３Ａ及び図３Ｂは、図２の態様でプローブ２を相対移動させる際の時間とプローブ２の相対位置との関係を示した図であり、図３ＡはＸ方向におけるプローブ２の相対位置、図３ＢはＹ方向におけるプローブ２の相対位置をそれぞれ示している。
図２に示すように、試料Ｓの表面上でプローブ２を相対移動させる際には、プローブ２をＸ方向（往路）及びＸ方向とは逆方向（復路）に相対移動させることにより往復移動させる動作と、プローブ２をＹ方向及びＹ方向とは逆方向に相対移動させることによりシフト移動させる動作とが組み合わせて実行される。この例では、往路の開始位置Ｐ１だけでなく、往路から復路への折り返し位置Ｐ２においてもプローブ２のシフト移動が行われるようになっている。
具体的には、プローブ２が折り返し位置Ｐ２においてＹ方向に２画素ずつシフト移動されるとともに、折り返し位置Ｐ２から開始位置Ｐ１に戻る度に、Ｙ方向とは逆方向に１画素ずつシフト移動される。このように、開始位置Ｐ１と折り返し位置Ｐ２とでシフト量が異なるため、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２においてプローブ２の相対移動の方向がＸ方向又はＸ方向とは逆方向に切り替えられる前と後とで、試料Ｓの表面における異なる位置（異なるライン）をプローブ２が相対移動する。これにより、プローブ２は１ライン上で往復移動するのではなく、複数ラインに跨って往復移動するようになっている。
また、上記のような往復移動及びシフト移動が繰り返されることによって、図２に示すように、３ライン目以降は試料Ｓの表面における同じ位置（同じライン）をＸ方向及びＸ方向とは逆方向に沿って相対移動することとなる。すなわち、プローブ２の相対的な往復移動が、往路及び復路において同じ位置で続けて行われるのではなく、往路及び復路において異なる位置で行われ、当該往復移動が複数回行われることによって、同じ位置の往路及び復路の測定結果を得ることができる。
この例では、同じ位置の往路及び復路の測定結果が得られる３ライン目以降の測定結果に基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示されるようになっている。このとき、往復移動中の原子間力が検出され、往路及び復路のそれぞれで検出された原子間力を用いてフィードバック制御部５３によるフィードバック量が調整されることにより、試料Ｓの全体の表面形状が測定されることとなる。
ただし、上記のような往路及び復路の測定結果を用いたフィードバック量の調整を行わない場合には、各ラインについて往路又は復路の一方の測定結果のみが得られるように、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２におけるプローブ２のシフト移動を行うような構成としてもよい。この場合、各ラインについて往路及び復路の両方の測定結果を用いるような構成と比較して、試料Ｓの表面形状の測定速度を向上することができる。
図３Ａに示すように、Ｘ方向及びＸ方向とは逆方向へのプローブ２の往復移動の際には、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２でプローブ２の相対移動の方向を切り替えるときに、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させるようになっている。具体的には、開始位置Ｐ１からＸ方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、一定時間だけ相対速度を一定に維持し、その後に相対速度を徐々に低下させてから折り返し位置Ｐ２でＸ方向とは逆方向に切り替える。そして、折り返し位置Ｐ２からＸ方向とは逆方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、一定時間だけ相対速度を一定に維持し、その後に相対速度を徐々に低下させてから開始位置Ｐ１でＸ方向に切り替える。
また、図３Ｂに示すように、Ｙ方向及びＹ方向とは逆方向へのプローブ２のシフト移動の際には、プローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させるようになっている。具体的には、折り返し位置Ｐ２では、Ｙ方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、２画素ずつシフト移動させる。開始位置Ｐ１では、Ｙ方向とは逆方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、１画素ずつシフト移動させる。
上記のような往復移動及びシフト移動が繰り返されることにより、往復移動の際にプローブ２の相対移動の方向が切り替わるときや、プローブ２がシフト移動するときに、プローブ２の相対速度が不連続になるのを防止することができる。すなわち、往復移動の際にプローブ２の相対移動の方向を切り替えるときには、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させることにより、プローブ２の相対速度が急激に変化するのを防止することができる。また、シフト移動の際には、プローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、プローブ２の相対速度が急激に変化するのを防止することができる。これにより、プローブ２の相対速度を速くした場合であっても周期的なノイズが発生するのを防止することができるため、プローブ２の相対速度を速くすることができ、かつ、試料Ｓの表面形状の測定結果にノイズが生じにくい。
また、往復移動の際には、プローブ２の相対速度を徐々に低下させる前に、一定速度でプローブ２を相対移動させるため、上記一定速度でプローブ２を相対移動させているときに試料Ｓの表面形状を精度よく測定することができる。この例では、プローブ２が上記一定速度で相対移動しているときの測定結果のみに基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示されるようになっている。
すなわち、開始位置Ｐ１と折り返し位置Ｐ２との間の測定結果のうち、プローブ２が上記一定速度で相対移動している位置Ｐ３と位置Ｐ４との間の測定結果のみに基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示される。したがって、プローブ２の相対速度を速くした場合であっても、試料Ｓの表面形状の測定結果にノイズが生じにくく、かつ、精度のよい測定結果を得ることができ、得られた精度のよい測定結果のみに基づいて、表示部６に試料Ｓの表面の凹凸画像を表示させることができる。上記一定速度は、往路及び復路において同じ速度であってもよいし、異なる速度であってもよい。
図４は、試料Ｓの表面上でプローブ２を相対移動させる際の第２の態様について説明するための概略図である。図５Ａ及び図５Ｂは、図４の態様でプローブ２を相対移動させる際の時間とプローブ２の相対位置との関係を示した図であり、図５ＡはＸ方向におけるプローブ２の相対位置、図５ＢはＹ方向におけるプローブ２の相対位置をそれぞれ示している。
図４に示すように、試料Ｓの表面上でプローブ２を相対移動させる際には、プローブ２をＸ方向（往路）及びＸ方向とは逆方向（復路）に相対移動させることにより往復移動させる動作と、プローブ２をＹ方向及びＹ方向とは逆方向に相対移動させることによりシフト移動させる動作とが組み合わせて実行される。この例では、往路の開始位置Ｐ１だけでなく、往路から復路への折り返し位置Ｐ２においてもプローブ２のシフト移動が行われるようになっている。
具体的には、折り返し位置Ｐ２においてプローブ２の相対移動の方向がＸ方向から逆方向に切り替えられている間に、プローブ２がＹ方向に徐々に相対移動した後、Ｙ方向とは逆方向に徐々に相対移動することにより元のラインに戻る。これにより、プローブ２は、折り返し位置Ｐ２において相対移動の方向がＸ方向から逆方向に切り替えられる前と後とで、試料Ｓの表面における同じ位置（同じライン）を相対移動することとなる。
プローブ２は、折り返し位置Ｐ２から開始位置Ｐ１に戻る度に、Ｙ方向に１画素ずつシフト移動される。このようにして各ラインについて得られた往路及び復路の測定結果に基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示されるようになっている。このとき、往復移動中の原子間力が検出され、往路及び復路のそれぞれで検出された原子間力を用いてフィードバック制御部５３によるフィードバック量が調整されることにより、試料Ｓの全体の表面形状が測定されることとなる。
図５Ａに示すように、Ｘ方向及びＸ方向とは逆方向へのプローブ２の往復移動の際には、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２でプローブ２の相対移動の方向を切り替えるときに、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させるようになっている。具体的には、開始位置Ｐ１からＸ方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、一定時間だけ相対速度を一定に維持し、その後に相対速度を徐々に低下させてから折り返し位置Ｐ２でＸ方向とは逆方向に切り替える。そして、折り返し位置Ｐ２からＸ方向とは逆方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、一定時間だけ相対速度を一定に維持し、その後に相対速度を徐々に低下させてから開始位置Ｐ１でＸ方向に切り替える。
また、図５Ｂに示すように、Ｙ方向及びＹ方向とは逆方向へのプローブ２のシフト移動の際には、プローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させるようになっている。具体的には、折り返し位置Ｐ２では、Ｙ方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させ、その後にＹ方向とは逆方向に相対速度を徐々に上昇させてから、再び相対速度を徐々に低下させることにより、プローブ２の位置を元のライン上に戻す。開始位置Ｐ１では、Ｙ方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、１画素ずつシフト移動させる。
上記のような往復移動及びシフト移動が繰り返されることにより、往復移動の際にプローブ２の相対移動の方向が切り替わるときや、プローブ２がシフト移動するときに、プローブ２の相対速度が不連続になるのを防止することができる。したがって、図４、図５Ａ及び図５Ｂのような態様においても、プローブ２の相対速度を速くした場合に周期的なノイズが発生するのを防止することができるため、プローブ２の相対速度を速くすることができ、かつ、試料Ｓの表面形状の測定結果にノイズが生じにくい。
特に、この例では、 プローブ２の相対的な往復移動が、往路及び復路において同じ位置（同じライン）で続けて行われる際に、その相対移動の方向が切り替えられている間にプローブ２をＹ方向に徐々に相対移動させた後、逆方向に徐々に相対移動させて元の位置に戻すことができる。これにより、プローブ２の相対的な往復移動が、往路及び復路において同じ位置で続けて行われる場合であっても、プローブ２の相対速度が急激に変化するのを効果的に防止することができる。
また、往復移動の際には、プローブ２の相対速度を徐々に低下させる前に、一定速度でプローブ２を相対移動させるため、上記一定速度でプローブ２を相対移動させているときに試料Ｓの表面形状を精度よく測定することができる。この例では、プローブ２が上記一定速度で相対移動しているときの測定結果のみに基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示されるようになっている。
すなわち、開始位置Ｐ１と折り返し位置Ｐ２との間の測定結果のうち、プローブ２が上記一定速度で相対移動している位置Ｐ３と位置Ｐ４との間の測定結果のみに基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示される。したがって、プローブ２の相対速度を速くした場合であっても、試料Ｓの表面形状の測定結果にノイズが生じにくく、かつ、精度のよい測定結果を得ることができ、得られた精度のよい測定結果のみに基づいて、表示部６に試料Ｓの表面の凹凸画像を表示させることができる。上記一定速度は、往路及び復路において同じ速度であってもよいし、異なる速度であってもよい。
図６は、試料Ｓの表面上でプローブ２を相対移動させる際の第３の態様について説明するための概略図である。図７Ａ及び図７Ｂは、図６の態様でプローブ２を相対移動させる際の時間とプローブ２の相対位置との関係を示した図であり、図７ＡはＸ方向におけるプローブ２の相対位置、図７ＢはＹ方向におけるプローブ２の相対位置をそれぞれ示している。
図６に示すように、試料Ｓの表面上でプローブ２を相対移動させる際には、プローブ２をＸ方向（往路）及びＸ方向とは逆方向（復路）に相対移動させることにより往復移動させる動作と、プローブ２をＹ方向及びＹ方向とは逆方向に相対移動させることによりシフト移動させる動作とが組み合わせて実行される。この例では、往路の開始位置Ｐ１、及び、往路から復路への折り返し位置Ｐ２だけでなく、往復移動中は常にプローブ２のシフト移動が周期的に行われるようになっている。
具体的には、プローブ２がＸ方向に沿った真っ直ぐなライン上で相対移動されるのではなく、２画素分の振幅にてプローブ２が一定周期でＹ方向及びＹ方向とは逆方向に繰り返しシフト移動されることにより、３ラインに跨ってシフト移動しながらＸ方向及びＸ方向とは逆方向に往復移動するようになっている。そして、プローブ２が折り返し位置Ｐ２から開始位置Ｐ１に戻る度に、Ｙ方向に１画素ずつシフト移動される。
なお、図６では、往路が実線で示されており、復路が破線で示されている。また、図６及び図７Ｂでは、説明を分かりやすくするために、プローブ２がＹ方向及びＹ方向とは逆方向に繰り返しシフト移動される周期が実際の周期よりも大きく示されている。
上記のような往復移動及びシフト移動が繰り返されることによって、図６に示すように、２ライン目以降は試料Ｓの表面における同じ位置（同じライン）をＸ方向及びＸ方向とは逆方向に沿って相対移動することとなる。すなわち、プローブ２がＹ方向及びＹ方向とは逆方向に繰り返しシフト移動される際の周期を適切に設定すれば、同一のライン上において往路及び復路でプローブ２が通過する位置が周期的に重なり合うため、その重なり合った同じ位置の往路及び復路の測定結果を得ることができる。
この例では、同じ位置の往路及び復路の測定結果が得られる２ライン目以降の測定結果に基づいて、試料Ｓの表面の凹凸画像が表示部６に表示されるようになっている。このとき、往復移動中の原子間力が検出され、往路及び復路のそれぞれで検出された原子間力を用いてフィードバック制御部５３によるフィードバック量が調整されることにより、試料Ｓの全体の表面形状が測定されることとなる。
図７Ａに示すように、Ｘ方向及びＸ方向とは逆方向へのプローブ２の往復移動の際には、開始位置Ｐ１及び折り返し位置Ｐ２でプローブ２の相対移動の方向を切り替えるときに、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させるようになっている。具体的には、開始位置Ｐ１からＸ方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、一定時間だけ相対速度を一定に維持し、その後に相対速度を徐々に低下させてから折り返し位置Ｐ２でＸ方向とは逆方向に切り替える。そして、折り返し位置Ｐ２からＸ方向とは逆方向にプローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、一定時間だけ相対速度を一定に維持し、その後に相対速度を徐々に低下させてから開始位置Ｐ１でＸ方向に切り替える。
また、図７Ｂに示すように、Ｙ方向及びＹ方向とは逆方向へのプローブ２のシフト移動の際には、プローブ２の相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させるようになっている。具体的には、プローブ２がＸ方向に相対移動されている間、及び、Ｘ方向とは逆方向に相対移動されている間に（一定の相対速度で維持されている間を含む。）、プローブ２をＹ方向に徐々に相対移動させた後、Ｙ方向とは逆方向に徐々に相対移動させる動作が繰り返される。
上記のような往復移動及びシフト移動が繰り返されることにより、往復移動の際にプローブ２の相対移動の方向が切り替わるときや、プローブ２がシフト移動するときに、プローブ２の相対速度が不連続になるのを防止することができる。したがって、図６、図７Ａ及び図７Ｂのような態様においても、プローブ２の相対速度を速くした場合に周期的なノイズが発生するのを防止することができるため、プローブ２の相対速度を速くすることができ、かつ、試料Ｓの表面形状の測定結果にノイズが生じにくい。
以上の実施形態では、プローブ２を試料Ｓの表面に対して相対移動させるための機構として、圧電素子１１，１２，１３を用いた機構について説明した。このような圧電素子１１，１２，１３としては、チューブ型圧電素子又は積層型圧電素子などを例示することができる。ただし、プローブ２を試料Ｓの表面に対して相対移動させるための機構は、圧電素子１１，１２，１３に限られるものではなく、他の任意の機構を用いて、プローブ２に対するステージ１の位置を変化させることができる。また、プローブ２に対するステージ１の位置を変化させるのではなく、ステージ１に対するプローブ２の位置を変化させることにより、プローブ２を試料Ｓの表面に対して相対移動させるような機構であってもよい。
以上の実施形態では、走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡に、本発明が適用された構成について説明した。しかし、本発明は、原子間力顕微鏡に限らず、トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope）などの他の走査型プローブ顕微鏡にも適用可能である。
１ ステージ
２ プローブ
３ 発光部
４ 受光部
５ 制御部
６ 表示部
１１ 第１圧電素子
１２ 第２圧電素子
１３ 第３圧電素子
５１ 往復移動制御部
５２ シフト移動制御部
５３ フィードバック制御部
５４ 測定制御部
２ プローブ
３ 発光部
４ 受光部
５ 制御部
６ 表示部
１１ 第１圧電素子
１２ 第２圧電素子
１３ 第３圧電素子
５１ 往復移動制御部
５２ シフト移動制御部
５３ フィードバック制御部
５４ 測定制御部
Claims (9)
- 試料の表面に沿って相対移動するプローブと、
試料の表面に対して第１方向及び当該第１方向とは逆方向に前記プローブを相対移動させることにより往復移動させる往復移動制御部と、
試料の表面に対して前記第１方向に直交する第２方向に前記プローブを相対移動させることによりシフト移動させるシフト移動制御部と、
前記往復移動制御部及び前記シフト移動制御部により試料の表面に沿って相対移動される前記プローブの前記第１方向及び前記第２方向に直交する方向への相対的な変位量に基づいて、試料の表面形状を測定する測定制御部とを備え、
前記往復移動制御部は、前記プローブの相対移動の方向を切り替えるときに、相対速度を徐々に低下させてから方向を切り替え、切替後に相対速度を徐々に上昇させることにより、前記プローブを相対的に往復移動させ、
前記シフト移動制御部は、前記プローブの相対速度を徐々に上昇させた後、相対速度を徐々に低下させることにより、前記プローブを相対的にシフト移動させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 前記往復移動制御部は、前記プローブの相対速度を徐々に低下させる前に、一定速度で前記プローブを相対移動させることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 表示部をさらに備え、
前記測定制御部は、上記一定速度で前記プローブを相対移動させているときの測定結果のみに基づいて、前記表示部に試料表面の凹凸画像を表示させることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。 - 前記プローブは、前記往復移動制御部により相対移動の方向が切り替えられる前と後とで、試料の表面における異なる位置を相対移動することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記プローブは、前記往復移動制御部による相対的な往復移動が複数回行われることによって、試料の表面における同じ位置を前記第１方向及び当該第１方向とは逆方向に沿って相対移動することを特徴とする請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記プローブは、前記往復移動制御部により相対移動の方向が切り替えられる前と後とで、試料の表面における同じ位置を相対移動することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記プローブは、前記往復移動制御部により相対移動の方向が切り替えられている間に、前記シフト移動制御部により第２方向に徐々に相対移動した後、当該第２方向とは逆方向に徐々に相対移動することを特徴とする請求項６に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記プローブは、前記往復移動制御部により第１方向に相対移動されている間、及び、当該第１方向とは逆方向に相対移動されている間に、前記シフト移動制御部により第２方向に徐々に相対移動した後、当該第２方向とは逆方向に徐々に相対移動する動作を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
- 前記プローブは、前記往復移動制御部による相対的な往復移動が複数回行われることによって、試料の表面における同じ位置を前記第１方向及び当該第１方向とは逆方向に沿って相対移動することを特徴とする請求項８に記載の走査型プローブ顕微鏡。
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